Введение к работе
Актуальность проблемы.' Уже в конце прошлого века в обществе наметилось противоречие между уровнем знаний, умений и навыков, приобретаемых потребителями образовательных услуг, и уровнем потребностей в этих знаниях, умениях и навыках, определяемых рынком труда. Это противоречие усиливается ярко выраженной тенденцией устаревания знаний, не удовлетворяющих быстро меняющимся технологиям во всех областях деятельности человека.
Развитие наукоемких технологий вызывает острую потребность в новых профессиях, что является причиной открытия большого количества новых специальностей в вузах и внедрения профильного обучения в средней школе. Вместе с тем возникает необходимость разработки рассчитанных на разное число часов обязательных учебных курсов, к которым относятся курсы физики, как для общеобразовательной школы, так и для естественнонаучных и технических специальностей вузов.
Проблема заключается в том, что сегодня в педагогической теории практически отсутствуют научно обоснованные подходы, позволяющие, без нарушения целостности содержания учебного курса, изменять объем учебного материала в соответствии с регламентированным учебным планом числом часов. Особенно остро эта проблема ощущается при конструировании содержания физического образования. Являясь инструментом формирования представлений об окружающем нас едином Мире, содержание курса физики, представленное в разном объеме на любом образовательном уровне (от школы до вуза), должно отвечать принципу целостности. Что нашло свое отражение в курсах физики различных уровней образования таких известных авторов, как: И.В. Савельев, А.Н. Матвеев, А.Д. Суханов, А.В. Астахов и Ю.М. Широков, предложивших свои курсы общей физики, а также, таких, например, как А.В. Перышкин, Н.А, Родина, разработавших курс физики для 7-8 классов общеобразовательной школы. Тем не менее, приведенная проблема получает сегодня второе рождение.
Естественно, что нивелировка обозначенной проблемы сегодня в большой степени зависит не только от нахождения алгоритма формирования содержания физического образования, адекватного современным потребностям общества и личности, но и от способов и методов его передачи учащимся, то есть от образовательных технологий. В силу того, что современная образовательная технология по В.П. Беспалько является частью педагогической систе-
(
*вС ИАШЮМАЛЫМЯ ммдетскл
мы, ее проектирование не может быть осуществлено независимо от других элементов этой системы. Современная педагогическая система представляет собой открытую динамическую систему, находящуюся под воздействием социальной среды. Именно социальная среда определяет социальный заказ, отраженный в целях и задачах физического образования, его содержании и образовательной технологии. Новые социально ~ экономические отношения, сложившиеся в нашем обществе, повлияли на цели и задачи на всех уровнях физического образования - от школы до вуза. Наряду с государством и обществом заказчиком образовательных услуг становится и личность. Что с необходимостью требует перехода к такой современной педагогической системе, в которой содержание физического образования, являющееся отдельным элементом содержания образования было бы связано с любым другим элементом педагогической системы совокупностью различных связей, в том числе и внутри - и межпредметных связей (ВПС и МПС), которые являются неотъемлемой частью педагогической системы. Поэтому, исследование внутри - и межпредметных связей должно предварять конструирование содержания физического образования. Переход к современной педагогической системе приводит к трансформации структуры ВПС и МПС не только за счет изменения внутри - и межпредметного содержания, но и за счет преобразования традиционной образовательной технологии, в которой отношения между преподавателем и учащимся являлись «субъект - объектными», к современной технологии, где приоритет отдан «субъект-субъектным» отношениям, о чем в педагогических исследованиях последних лет ведется оживленная дискуссия.
Формирование целостных представлений о природных явлениях и закономерностях, как отражение Единства Природы, требует целостности в процессе обучения физике. Понимая, что целостность процесса обучения физике определяется взаимосвязью элементов внутри - и межпредметного содержания образования (элементов структуры курса физики), форм, методов, дидактических процессов (элементов технологии обучения), то есть внутри - и межпредметными связями, построение образовательной технологии необходимо начинать с определения роли и места ВПС и МПС в учебном процессе. Глубокое исследование этих вопросов, продвинувших понимание ВПС и МПС на качественном уровне, было проведено известными педагогами Н.С. Антоновым, И.Ф. Бори-сенко, Ш.А. Бакмаевым^ И.И_. Гайдуковым, Ш.И. Ганелиным, . «. л\.» m«*vm, * '«* '
I ч-*ч*~*Р- - \
і ,* т **
В.А. Далингером, Б.П. Есиповым, В.Ф. Ефименко, И.Д. Зверевым, Л.Я. Зориной, Т.А. Ильиной, В.Н. Келбакиани, Р.Ю. Кос-тюченко, П.Г. Кулагиным, И.Я. Ланиной, Н.А. Лошкаревой, В.Н. Максимовой, В.Е. Медведевым, П.Н. Новиковым, П.И. Образцовым, И.Т. Огородниковым, А.В. Петровым, В.Н. Ретюнс-ким, Н.А. Сорокиным, А.В. Усовой, В.Н. Федоровой, Г.Ф. Федо-рец, Н.М. Черкес-Заде, В.П. Шуманом, Е.И. Щукиной, В.Н. Ян-цен.
Следует отметить, что анализ содержания физического образования, форм, методов и дидактических процессов, проведенный на основе изучения внутри - и межпредметных связей, не может быть полным, если он не дополнен количественными расчетами. Ведь именно такой анализ позволит начать научно обоснованное построение целостной образовательной технологии. Отметим также, что отсутствие количественной теории внутри - и межпредметных связей является наиболее слабым звеном научного обоснования образовательного процесса и ставит под сомнение возможность такого обоснования. Поэтому, как это уже отмечалось В.В. Краевским, задача построения теории внутри - и межпредметных связей становится основной среди задач, предшествующих проектированию процесса обучения. Количественный подход к решению задачи о ВПС и МПС требует так переосмыслить их качественные определения, чтобы можно было выбрать математический формализм наиболее адекватный сути внутри - и межпредметных связей. Этот формализм должен быть инвариантен выбору типа связи, будь то внутри - или межпредметная связь, и допускать введение необходимых количественных и информационных характеристик, позволяющих рассчитать целостность изучаемых курсов, их связность, а также информационный объем внутри - и межпредметного содержания. Перечисленные характеристики, дополненные оценкой целостности использования форм, методов и дидактических процессов, могут быть также использованы для определения целостности образовательной технологии.
В качестве методологической основы данного исследования внутри - и межпредметных связей использованы философское представление связи теория древесных графов и положения классической теории информации. Интерпретация связи, как «...субстрата..., обеспечивающего перенос информации...», позволяет предположить, что учебная информация и технология ее переноса входят в структуру связи. Причем, во-первых, учебный материал должен передаваться дискретно, а размер порции меняться от раз-
дела, темы, параграфа до элементов знаний, умений и навыков. Во—вторых, должна быть сформирована система внутри - и межпредметных связей, реализуемых через элементы знаний, умений и навыков. В третьих, изучение каждой порции учебной информации в рамках единого дидактического цикла (модуля), должно содержать целостный набор различных форм и методов обучения, а также дидактических процессов, осуществляющих передачу порции учебного материала в соответствии с психологическим принципом. Согласно этому принципу «...содержание, которое в одной задаче является целью действия, должно войти в последующую как способ или часть способов ее решения». Поэтому целостность образовательного "процесса предлагается поддерживать двумя составляющими: модульной организацией форм и методов обучения и формированием дидактических процессов и содержания внутри модуля на осйове системы внутри - и межпредметных связей.
Требование целостности образовательной технологии, знание системы внутри - и межпредметных связей необходимо использовать при проектировании любого курса физики для разных образовательных уровней (от школы до вуза) и профилей обучения. Поэтому исследование основ целостности технологии обучения физике и содержания физического образования, то есть внутри -и межпредметных связей в курсе физики, является, несомненно, актуальным.
Объект исследования. Процесс обучения физике учащихся разных возрастных групп и специальностей.
Предмет исследования. Технологические и теоретические аспекты целостности содержания физического образования.
Цель исследования. Разработка целостной модульной технологии обучения физике на основе информационных моделей внутри — и межпредметных связей.
Возможность достижения цели исследования подтверждалась проверкой следующих гипотез:
1. Процесс обучения физике будет более эффективным, если:
обучение физике осуществляется с помощью целостной модульной образовательной технологии, проектируемой на основе системы внутри - и межпредметных связей.
дидактические процессы, входящие в структуру проектируемой образовательной технологии, формируются с учетом внутри -или межпредметных связей, задающих маршрут переноса элемента знания, умения или навыка в структуре предмета.
2. Необходимый уровень целостности модульной технологии
обучения физике может быть достигнут, если ее проектирование
осуществляется на основе информационных моделей внутри - и межпредметных связей. Задачи исследования:
-
Выделив основные принципы обучения, разработать модульную технологию обучения физике, целостность которой обеспечивается системой внутри - и межпредметных связей.
-
Определить роль и место внутри - и межпредметных связей в структуре педагогической системы.
-
Определить структуру и содержание понятий внутри - и межпредметных связей, задать дидактические процессы на пространстве технологии обучения физике.
-
Построить графовые модели внутри - и межпредметных связей, определить их количественные характеристики, с помощью которых провести анализ содержания физического образования.
-
Используя характеристики внутри - и межпредметных связей, рассчитать целостность курса общей физики, его связность с курсом математического анализа, определить значимость физических и математических понятий, провести сравнение и оптимизацию различных курсов физики.
-
Построить информационные модели внутри - и межпредметных связей и исследовать с их помощью возможности восприятия учебной информации.
-
Разработать адекватный концепции целостной модульной технологии информационно-дидактический комплекс, основанный на информационных моделях ВПС и МПС.
Научная новизна исследования
-
Сформулировано определение внутри - и межпредметных связей, позволяющее представить их в виде ориентированных древесных графов.
-
Введены такие количественные характеристики как длина и сила связи, с помощью которых можно проводить анализ содержания курса физики;
-
Предложены количественные методы сравнения к оптимизации различных курсов физики, установления степсе! "эачимо-сти физических и математических понятий.
-
Построена информационная модель внутри - и межпредметных связей.
-
На пространстве содеожания физического образования определен оператор учебного процесса, йогволяющий рассматривать учебный процесс как процесс перехода педагогической системы из одного состояния в другое.
-
Разработана целостная модульная технология обучения физике, где модуль рассматривается как единица педагогической системы.
-
Разработан количественный метод структурирования учебного материала физики и оценки его информационных характеристик (метод смысловых структур).
Теоретическая значимость работы заключается в расширении представлений о ВПС и МПС с помощью разработанной теории внутри - и межпредметных связей. Теория охватывает: выявление соотношения между понятиями педагогической системы и учебного процесса, на основе чего построен оператор учебного процесса, формулировку определений ВПС и МПС, позволяющих представить связи с помощью графовых моделей и ввести их количественные характеристики; разработку информационных моделей ВПС и МПС с соответствующими информационными характеристиками. Применение теорий древесных графов и информации к конструированию содержания физического образования открывает новый горизонт в способах описания процесса обучения физике.
Практическая значимость исследования состоит в том, что разработанные модели внутри- и межпредметных связей позволяют конструировать пространство содержания физического образования предваряя проектирование учебного процесса. Эту конструкцию можно не только оптимизировать с позиций целостности содержания учебного курса и его связности с другими, но и привести в соответствие с информационными ограничениями восприятия учебной информации. Даются количественные ориентиры для практической деятельности педагогов, занимающихся разработкой содержания образования. Кроме того, открываются возможности для перестройки практики обучения физике в рамках целостной модульной технологии. Примером чему могут служить сформированные для студентов - физиков, студентов - экологов, студентов колледжа (10 - 11 класс общеобразовательной школы), а также для учащихся 8-х классов информационно-дидактические комплексы по физике, в последнем из которых используется метод смысловых структур.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Целостность модульной технологии обучения физике, сформированной согласно основным принципам процесса обучения (целостности образовательного процесса; информатизации образования; индивидуализации образовательного процесса; единства тео-
ретических и экспериментальных навыков и умений и взаимообратной связи в образовательном процессе), обеспечивается системой внутри - и межпредметных связей. Учебная информация, формируемая на пространстве содержания образования, передается учащимся через внутри - и межпредметные связи с помощью технологии обучения, включающей дидактические процессы, формы, методы обучения и преподавателя.
-
Понятие «модуль» определяется как единица педагогической системы, содержащая все инвариантные элементы этой системы.
-
Оператор учебного процесса в структуре педагогической системы задается на пространствах содержания физического образования и технологии обучения физике с помощью внутрипредмет-ных и межпредметных связей.
-
Межпредметная (внутрипредметная) связь определяется как конструкция элементов педагогической системы, которая связывает элементы структуры межпредметного (внутрипредметного) содержания образования и состоит из:
объекта связи - любого элемента знаний, навыков и умений, принадлежащего базовому (рассматриваемому) предмету и используемого в связанном (по крайней мере, в двух элементах его структуры);
канала связи - одного или нескольких элементов образовательной технологии, адекватной предметам (предмету), между которыми (внутри которого) устанавливается связь.
Направление МПС задается выбором базового предмета - от базового предмета к связанному.
ВПС направлена от элемента структуры, в котором объект связи появляется впервые, к элементу структуры, с которым устанавливается связь.
-
Межпредметную (внутрипредметную) связь можно представить в виде древесного орграфа, корневой узел которого определяется началом формирования или использования элемента знаний, умений или навыков в базовом или связанном (изучаемом) предмете, а висячий узел - элементом структуры связанного предмета, в котором используется этот же элемент знаний, умений или навыков.
-
Методы, основанные на определении длины и силы связи, позволяют рассчитывать как целостность курса физики, так и его связность с математикой, устанавливать степень значимости фи-
зических и математических элементов знаний, умений и навыков, сравнивать и оптимизировать различные курсы физики.
7. Информационные модели внутри - и межпредметных связей, включающие их графовые модели и смысловые структуры, позволяют структурировать содержание учебного материала курса физики, проводить количественные оценки его информационных характеристик и формировать дидактические процессы целостной технологии обучения физике.
Апробация результатов исследования проводилась
за рубежом:
1996г. - г.Пекин, КНР (публикация); 1997 - г. Вэйл, штат Колорадо; США (доклад, публикация); 1998г. - г.Джуно, штат Аляска; США (доклад, публикация); 1999г.- Айдахо, штат Вайоминг (публикация), США; 2000г. - Мичиган, США (доклад, публикация); 2002г. - г. Брест, Белоруссия (пленарный доклад, публикация); 2003г. - г. София, Болгария (публикация); 2005г. -г.Феникс, США (доклад, публикация -CD);
в России
на международных конференциях:
1994г. - г. Находка Прим. края, 1995 - г.г. Москва, Новосибирск, 1997г. - г.г. Челябинск, Волгоград, Владивосток, 1998г. -г. Новороссийск, 1999 - г.г. Новосибирск, Владивосток, Самара, 2002г. - г. Ст. Петербург, 2004 - г.г. Москва, Пенза;
на всероссийских, региональных и межвузовских конференциях:
1993-2004 г. - г. Владивосток - г., 2000 г. -г. Москва, 2003 г. -г. Челябинск.
Личным вкладом автора является: 1. Определение на пространствах технологии обучения физике и содержания физического образования оператора учебного процесса, позволяющее установить роль и место ВПС и МПС в структуре педсистемы. 2.Формулировка следующих определений: модуля как единицы педагогической системы; технологии как совокупности способов изменения состояния педагогической системы; ВПС и МПС, как объектов, ответственных за перенос информации. 3. Разработка информационных моделей ВПС и МПС; введение количественных характеристик, позволяющих рассчитать связность и целостность различных курсов физики. 4. Разработка целостной модульной технологии обучения, включающая метод структурирования учебного материала и оценки его информационных характеристик, на
основе которого сформированы информационно-дидактические комплексы для учащихся как вузов, так и общеобразовательных школ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы (271 наименований), 56 приложений. Работа содержит 270 страниц основного текста, 35 рисунков, 43 таблицы, 6 диаграмм и 3 схемы.